ГФ 11-1

Природа полос поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра связана с различными электронными переходами в поглощающих молекулах и ионах (электронные спектры); в инфракрасной области она связана с колебательными переходами и изменением колебательных состояний ядер, входящих в молекулу поглощающего вещества (колебательные спектры).

Распространенная в настоящее время аппаратура позволяет измерять ультрафиолетовые спектры в области от 190 до 380 нм, видимые - от 380 до 780 нм, инфракрасные спектры - от 780 до 40000 нм

(40 мкм).

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ

И ВИДИМОЙ ОБЛАСТЯХ

Спектрофотометрические измерения в ультрафиолетовой и видимой областях чаще всего проводят для растворов, хотя такие измерения могут быть проведены и для веществ, находящихся в парообразном, жидком и твердом состоянии.

Образец анализируемого вещества при спектрофотометрических определениях обычно растворяют в соответствующем растворителе. Для этих областей пригодны многие растворители, в том числе вода, спирты, хлороформ, низшие углеводороды, эфиры, разведенные растворы аммиака, едкого натра <*>, хлористоводородной или серной кислоты. Следует использовать растворители, не содержащие примесей, поглощающих в данной спектральной области; для спектрофотометрии выпускаются специальные растворители, гарантирующие отсутствие примесей.

--------------------------------

<*> Согласно принятой в стране терминологии (Химический энциклопедический словарь, изд. Советская энциклопедия, М., 1983), едкий натр называется гидроксид натрия, а едкое кали - гидроксид калия.

Спектрофотометрический анализ по непосредственному измерению оптической плотности может быть проведен для веществ, обладающих лишь определенными особенностями строения (ароматические соединения, соединения с сопряженными кратными связями, соединения ряда металлов и др.).

Некоторые анализируемые вещества необходимо предварительно перевести в соединение, поглощающее излучение.

Для определения концентрации растворов спектрофотометрическим путем используется закон Бугера - Ламберта - Бера в форме:

1

"каппа"b

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

В ряде случаев даже при использовании монохроматического излучения могут наблюдаться отклонения от закона Бугера - Ламберта - Бера, обусловленные процессами диссоциации, ассоциации и комплексообразования. При наличии таких отклонений следует пользоваться не формулой (5), а экспериментально найденной зависимостью оптической плотности от концентрации.

Измерения оптической плотности D в ультрафиолетовой и видимой области проводятся на фотоэлектрических спектрофотометрах. Основными частями этих приборов являются: источник излучения (лампа накаливания для видимой области, газоразрядная водородная или дейтериевая лампа ультрафиолетовой области), монохроматор, диспергирующая система которого основана на использовании кварцевой призмы или дифракционной решетки, кюветное отделение, в котором располагаются кюветы с исследуемыми веществами, приемное и фотометрическое устройство для сравнительной оценки интенсивности световых потоков J0 и J, основанное на использовании фотоэлементов.

плотности D (т.е. lg ----), а шкала длин волн или волновых чисел -

В процессе измерения на пути выходящего из монохроматора пучка излучения определенной длины волны поочередно устанавливается нулевой раствор (растворитель или раствор, содержащий те же вещества, что и исследуемый, за исключением анализируемого компонента), для которого Т = 100%, D = 0 и исследуемый раствор.

Для снижения величины ошибки при определении D концентрация раствора и толщина слоя его подбираются такими, чтобы D в исследуемой спектральной области находилось в пределах от 0,2 до 0,7. В зависимости от способности вещества к поглощению это обычно достигается при использовании концентраций от 0,01 до 0,00001% (кюветы с толщиной слоя 10 мм).

Показатель поглощения "каппа" вычисляют на основании измеренной оптической плотности D для растворов с известной концентрацией по формуле:

1

cb

Концентрация "с" может быть выражена в молях на 1 л или в граммах на 100 мл раствора. В зависимости от этого по формуле (6) вычисляют молярный показатель поглощения или удельный показатель поглощения.

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

Молярный показатель поглощения ("эпсилон") представляет собой оптическую плотность одномолярного раствора вещества при толщине

1%

той же толщине слоя. Переход от удельного показателя поглощения к молярному осуществляется по формуле:

Для идентификации веществ в ультрафиолетовой области спектра рекомендуется применять регистрирующие спектрофотометры.

При измерениях на разных спектрофотометрах значения характерных длин волн могут отличаться на +/-2 нм. Если отличие превышает указанный предел, то необходимо провести калибровку шкалы длин волн.

При количественных определениях целесообразно использовать такие полосы поглощения, которые отвечают следующим условиям:

1)данная полоса должна быть по возможности свободна от наложения полос поглощения других компонентов анализируемой системы;

2)выбранная полоса должна обладать достаточно высоким показателем поглощения ("каппа") для индивидуального соединения.

Такие полосы называются аналитическими.

При анализе используют максимум или минимум полосы поглощения и не следует производить измерения на участках крутого спада или подъема кривой.

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

Для многокомпонентных систем выделение аналитических полос для каждого отдельного компонента становится затруднительным, тогда количественные определения могут быть произведены путем измерения оптической плотности при нескольких значениях длин волн и решения системы линейных уравнений, связывающих суммарную величину оптической плотности смеси при данной длине волны с величиной оптической плотности для каждого индивидуального компонента.

Например, для системы двух окрашенных веществ, спектры поглощения которых накладываются друг на друга, определение концентраций с1 и с2 раствора ведется при двух длинах волн по уравнениям:

Значения молярных коэффициентов поглощения определяют экспериментально, измеряя оптические плотности стандартных растворов каждого вещества при "лямбда1" и "лямбда2". Систему уравнений (8) решают относительно двух неизвестных концентраций с1 и с2.

Относительная ошибка спектрофотометрических определений индивидуальных соединений обычно не превышает 2%, при анализе смесей ошибка определения возрастает.

В ряде случаев для идентификации и количественного определения веществ методом спектрофотометрии требуется сравнение с химическими стандартными образцами.

Для проверки пропускания шкалы спектрофотометров используют стандартный образец бихромата калия. Ниже приводятся допустимые значения оптической плотности раствора стандартного образца бихромата калия, содержащего 60,06 мг в 1000 мл раствора серной кислоты (0,005 моль/л), при толщине слоя 10 мм.

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ

Поглощением в инфракрасной области обладают молекулы, дипольные моменты которых изменяются при возбуждении колебательных движений ядер. Инфракрасные спектры могут быть получены в различных агрегатных состояниях веществ и используются для идентификации, количественного анализа, а также для исследования строения молекул.

Измерения проводят на однолучевых и двухлучевых инфракрасных спектрофотометрах, снабженных диспергирующими системами в виде призм и диффракционных решеток.

Наиболее часто используется спектральная область от 2,5 до 20

-1

мкм (4000 - 500 см ).

Каждый инфракрасный спектр характеризуется серией полос поглощения, максимумы которых определяются волновым числом "эпсилон" или длиной волны "лямбда" и интенсивностью максимумов поглощения.

-1

Волновое число "ни", измеряемое в обратных сантиметрах (см ), 4

10

ординат - величина пропускания Т (в %).

Подготовку образцов к снятию инфракрасных спектров проводят по следующим методикам.

1. Для твердых веществ. а) Пасты: тщательно смешивают 10-20 мг твердого вещества с 1-2 каплями иммерсионной жидкости (вазелиновое масло, полифторуглеводород, гексахлорбутадиен и др.), приготовленную пасту сдавливают между двумя пластинками из NaCl (или KBr) и помещают в спектрофотометр для измерения. Во второй канал прибора помещают слой иммерсионной жидкости

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

между пластинками NaCl (или КВr).

б) Диски с KBr: навеску твердого вещества (1-3 мг) тщательно смешивают в вибромельнице или в ступке со спектроскопически чистым бромидом калия (150-200 мг) и смесь прессуют при давлении 7,5-10 т/кв. см в течение 2-5 мин. под вакуумом 2-3 мм рт. ст.

Спектр полученного образца снимают относительно воздуха или относительно диска, приготовленного из чистого КВr, помещенного во второй канал прибора.

2.Для жидких веществ. Тонкую пленку жидкости зажимают между пластинками из NaCl (или КВr) или используют кюветы с малой толщиной слоя (0,01-0,05 мм). Во второй канал прибора помещают чистую пластинку NaCl (или КВr) удвоенной толщины или соответствующие пустые кюветы.

3.Растворы. Раствор исследуемого образца (жидкого или твердого) в подходящем органическом растворителе (обычно используемые концентрации приблизительно 0,5-1,5%) вводят в кювету с толщиной слоя 0,1-1 мм. Спектр раствора снимают относительно чистого растворителя.

В качестве растворителей наиболее часто применяют четыреххлористый углерод и хлороформ.

Применение инфракрасных спектров для исследования строения веществ основано главным образом на использовании характеристических полос поглощения (полосы, связанные с колебаниями функциональных групп или связей в молекулах). Такими характеристическими полосами поглощения обладают группы -ОН, -NH2,

_

-NO2, =C=O, -C=N и др.

Идентификация лекарственного вещества может быть проведена путем сопоставления ИКспектра исследуемого вещества с аналогичным спектром его стандартного образца или с его стандартным спектром. В первом случае ИК-спектры снимают последовательно на одном и том же приборе в одинаковых условиях (агрегатное состояние образца, концентрация вещества, скорость регистрации и т.п.).

Во втором случае следует строго руководствоваться условиями, приведенными для стандартного спектра (концентрация вещества, степень пропускания для основных полос и т.п.).

Обычно используют ИК-спектры, снятые с таблетками бромида калия или с пастами (суспензиями) в вазелиновом масле.

Сопоставление ИК-спектров рекомендуется начинать с анализа характеристических полос, которые обычно хорошо проявляются на спектрах, и лишь при их совпадении сопоставляют низкочастотную область.

-1

Для низкочастотного интервала 1350-400 см характерен специфический набор полос, который называют областью "отпечатков

пальцев".

Полное совпадение полос поглощения в ИК-спектрах свидетельствует об идентичности вещества. Полиморфные модификации одного и того же вещества могут давать различные спектры. В этом случае для проверки идентичности сопоставляют спектры их растворов или, растворив каждое вещество в одном и том же растворителе, упаривают растворитель досуха и сравнивают спектры

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

твердых остатков.

Наряду с положением полос поглощения существенной характеристикой веществ является интенсивность полос поглощения, которая может быть охарактеризована в спектрах величиной показателя поглощения ("каппа") или величиной интегральной интенсивности поглощения (А), равной площади огибаемой кривой поглощения.

Интенсивности поглощения могут быть использованы для установления строения вещества и для количественного анализа.

Колориметрия

Колориметрический метод основан на визуальном сравнении интенсивностей окрасок растворов разных концентраций при помощи несложных приборов: колориметрических пробирок, цилиндров с кранами, колориметров и фотометров. В колориметрии не требуется соблюдение закона Бера. Измерения проводят посредством следующих операций:

а) окрашенную пробу и стандарт разбавляют в сосудах одинакового диаметра до совпадения окрасок (метод уравнивания);

б) уравнивают окраски исследуемого окрашенного раствора с раствором, содержащим все вещества, за исключением анализируемого, добавляя к нему раствор этого вещества в известной концентрации (колориметрическое титрование);

в) готовят набор стандартов с различной концентрацией вещества и подбирают совпадение окрасок пробы и одного из стандартов (метод стандартных серий).

Фотоколориметрия

Фотоколориметрический метод основан на измерении степени поглощения немонохроматического света испытуемым веществом с помощью фотоэлектроколориметров. Для определения концентраций растворов фотоколориметрическим методом пользуются формулой (5).

Величину "каппа" и "каппа"b определяют путем проведения серии предварительных измерений для растворов с известной концентрацией исследуемого вещества.

_

При отсутствии линейной зависимости между "с" и D для определения "с" следует пользоваться калибровочными графиками,

построенными для каждого определяемого вещества.

Наиболее распространенными являются две принципиальные схемы фотоэлектроколориметров:

1) схема прямого действия с одним фотоэлементом, предусматривающая измерение оптической плотности по силе фототока, регистрируемой гальванометром;

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

2) дифференциальная схема с двумя фотоэлементами, рассчитанная на попадание пучков света, проходящих соответственно через испытуемый и нулевой растворы, на два разных фотоэлемента. Фототоки уравнивают с помощью потенциометра (электрическая компенсация) или диафрагмы, уменьшающей интенсивность одного из световых пучков (оптическая компенсация).

По шкале потенциометра или диафрагмы отсчитывают оптическую плотность в момент равенства фототоков, когда стрелка регистрирующего гальванометра находится на нуле.

Относительная ошибка фотоколориметрических методов обычно не превышает 3%, колориметрических - 5%.

Дифференциальная спектрофотометрия

и фотоколориметрия

Дифференциальный метод анализа используют для повышения точности спектрофотометрических и фотоколориметрических измерений при определении высоких концентраций веществ (от 10 до 100%). Сущность метода заключается в измерении светопоглощения анализируемого раствора относительно раствора сравнения, содержащего определенное количество испытуемого вещества; это приводит к изменению рабочей области шкалы прибора и снижению относительной ошибки анализа до 0,5-1%.

Если рассматривать прохождение лучей света одинаковой интенсивности через три кюветы, которые содержат растворитель с0 и растворы с различной концентрацией испытуемого вещества c1 и с2, причем с1 < с2, то интенсивность излучения прошедшего через раствор поглощающего вещества с концентрацией с1, относительно раствора сравнения может быть записана выражением

-kbc2

Отношение интенсивности света, прошедшего через растворы концентрации с2 и с1, именуемое "относительной пропускаемостью", будет равно:

-kbc2

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

Относительная пропускаемость определяется разницей в концентрациях вещества в анализируемых растворах ("ДЕЛЬТА"с).

Выбор оптимальных условий анализа проводится различными способами: наиболее простой из них - предварительное построение серии калибровочных графиков. Концентрации препаратов в растворах сравнения подбирают таким образом, чтобы оптическая плотность отличалась на 0,2 - 0,4. На каждом из построенных графиков устанавливают величину относительной погрешности, используя анализируемые растворы с относительной оптической плотностью 0,4 - 0,5. Оптимальными считают те концентрации раствора сравнения и анализируемого раствора, с помощью которых достигнута наименьшая относительная ошибка определений.

Для анализа готовят раствор сравнения с известным количеством испытуемого вещества и при помощи двух кювет, заполненных раствором сравнения, устанавливают на нуль шкалу оптической плотности прибора. Затем одну из кювет заполняют анализируемым раствором и измеряют оптическую плотность по отношению к раствору сравнения.

Интенсивность светового потока на спектрофотометре регулируют только шириной щели, а на фотоколориметре - световым клином.

Концентрацию анализируемого вещества находят либо по калибровочному графику, либо расчетным путем с помощью фактора пересчета F по формуле:

х0 x

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.

оптической плотности.

ЭМИССИОННАЯ И АТОМНО - АБСОРБЦИОННАЯ

ПЛАМЕННАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ

Эмиссионная и атомно - абсорбционная пламенная спектрометрия применяется для качественного и количественного определения химических элементов в различных объектах: лекарственных средствах, реактивах, воде, биологических жидкостях и др.

В основе эмиссионной пламенной спектрометрии лежит использование спектров испускания возбужденных атомов или молекул определяемых элементов. При создании атомного облака в пламени некоторые атомы возбуждаются и переходят на более высокие энергетические уровни. Когда эти атомы возвращаются на нижние (основные) энергетические уровни, то энергия, полученная атомами, испускается (спектр испускания).

Принцип эмиссионной пламенной спектрометрии заключается в следующем: анализируемый раствор распыляется в виде аэрозоля в пламени горелки, работающей на горючем газе. При воздействии температуры пламени происходит ряд сложных физических и химических процессов: испарение растворителя из капель аэрозоля, испарение твердых частиц, диссоциация молекул, возбуждение атомов и возникновение характеристического излучения атомов.

Излучение определяемого элемента отделяется от постороннего с помощью светофильтра или монохроматора, попадает на фотоэлемент и вызывает фототок, который измеряется с помощью гальванометра, электронного потенциометра и других приборов. Количественное определение элемента по методу эмиссионной пламенной спектрометрии основано на функциональной зависимости интенсивности спектральной линии (I) и концентрации элемента в растворе (с). Прямая пропорциональность между I и "с" имеет место лишь в определенной для данного элемента области концентрации. При этом линейную зависимость I от "с" может нарушать самопоглощение, ионизация, образование газообразных или трудно диссоциирующих в пламени соединений.

Принцип атомно - абсорбционной спектрометрии заключается в следующем: резонансное излучение от лампы с полым катодом проходит через пламя, в которое распыляется анализируемый раствор пробы. Излучение попадает на входную щель монохроматора, установленного таким образом, что выделяется из спектра только резонансная линия определяемого элемента, интенсивность которой измеряется фотоэлектрическим способом. Измеряют уменьшение интенсивности резонансной линии вследствие поглощения ее атомами определяемого элемента, принимая интенсивность ослабленной линии за 100%. Величина поглощения резонансного излучения пропорциональна числу атомов, находящихся в поглощающем слое. Зависимость между ослаблением интенсивности излучения источника света (I) и концентрацией вещества (с) может быть выражена уравнением:

-kcl

где I0 - интенсивность резонансного излучения; I - интенсивность излучения, прошедшего

Не является официальной версией, бесплатно предоставляется членам Ассоциации лесопользователей Приладожья, Поморья и Прионежья – www.alppp.ru. Постоянно действующий третейский суд.